Microbiologia

SPORULAZIONE

In condizioni di laboratorio il processo di sporulazione

impiega 8/10h per avvenire, mentre il processo di

germinazione è molto più rapido. Nel giro di 10/15 minuti

la spora perde gran parte delle sue caratteristiche

morfologiche e dopo circa un’ora diventa una vera a

propria cellula vegetativa, che da origine a due cellule di

dimensioni diverse: la cellula madre di dimensioni

maggiori e la prespora di dimensioni minori.

La cellula madre è una cellula terminale che alla fine del

processo si liserà consentendo il rilascio nell’ambiente

esterno della spora matura e, attraverso la germinazione,

ad una serie di cellule vegetative

Il cromosoma presente nella cellula madre e nella

prespora deriva da un ciclo di replicazione del DNA che

avviene nella cellula vegetativa prima della divisione

asimmetrica ed è uguale nelle due cellule.

Induzione alla sporulazione

In condizioni di laboratorio il processo di formulazione della spora inizia alla fine della fase esponenziale di crescita

(carenza di nutrienti e accumulo di tossine). Tali condizioni, insieme al blocco della replicazione del DNA, sono percepiti

dalla cellula in maniera coordinata e mediante un sistema a più componenti, si ha l’attivazione di un regolatore

trascrizionale (Spo0A) e induce l’intero processo di sporulazione.

Formazione del detto di divisione asimmetrica

Dopo l’induzione alla sporulazione si osserva la comparsa di un setto di divisione cellulare situato in posizione

asimmetrica che divide la cellula in due compartimenti disuguali: la cellula madre e la prespora.

Con l’inizio della sporulazione si ha la separazione solo dopo la formazione del setto asimmetrico, con il trasferimento di

uno dei due cromosomi attraverso il setto.

Inglobamento della prespora

Si ha l’inglobamento della prespora nella cellula madre. Viene degradato il peptidoglicano nella parte centrale del setto

asimmetrico. Il compartimento della prespora si rigonfia all’interno della cellula madre. Infine la membrana plasmatica

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della cellula, in corrispondenza del setto, comincia a muoversi migrando attorno alla prespora fino ad inglobarla

interamente.

Formazione della corteccia

Viene sintetizzato un involucro di corteccia nella cellula madre tra le due membrane che avvolgono la prespora. Tale

forma di peptidoglicano è presente solo nelle spore batteriche e si differenziano da quello presente nella parete della

cellula batterica a livello del residuo N-acetil-muramico, infatti è privo della parete peptidica e presenta una ciclizzazione

intramolecolare.

In questa fase viene anche sintetizzato l’acido dipicolinico (DPA) che durante le successive fasi del processo verra

trasportato nella prespora, dove si accumulerà come sali di calcio, il dipicolinato di calcio che stabilizza gli acidi nucleici e

conferisce termoresistenza.

Vengono prodotte anche proteine acide che interagiscono con il cromosoma e lo proteggono dalle radiazioni UV.

Formazione del rivestimento interno

Contemporaneamente alla sintesi della corteccia, si va a depositare sulla superficie esterna della spora, uno strato

proteico detto tunica sporale. È responsabile delle caratteristiche di resistenza a enzimi litici e a molto agenti chimici

tossici, quali etanolo e cloroformio. È formata da proteine

Maturazione e rilascio della spora

Le fasi finali sono caratterizzate da piccoli cambiamenti morfologici che culminano con la lisi della cellula madre e il

conseguente rilascio della spora matura nell’ambiente esterno. La spora matura è metabolicamente morta in quanto il

suo citoplasma è disidratato e il suo cromosoma rivestito da proteine SASP.

Germinazione

Le endospore mature mantengono attivi uno o più meccanismi di ricezione dei segnali esterni che consentono loro di

rispondere rapidamente al ripristinarsi delle condizioni ambientali favorevoli, in particolare in presenza di acqua e

nutrienti. A queste condizioni, la spora germina dando origine a una cellula vegetativa, metabolicamente attiva.

Il processo è causato da una serie di cambiamenti morfologici e biochimici che consistono nella riidratazione della spora,

nella degradazione della corteccia, delle proteine SASP e della tunica sporale, nella scomparsa alla resistenza al calore

e agli altri effetti dannosi. 13

NUTRIZIONE E CRESCITA MICROBICA

In presenza di acqua, nutrienti e condizioni ambientali favorevoli, la

maggior parte delle cellule procariote aumenta la sua massa e si divide

per formare due cellule figlie tramite un processo chiamato scissione

binaria. Per formare due cellule figlie a partire da una cellula singola è

necessario duplicare tutte le varie molecole che compongono le

strutture nucleari.

I batteri possono essere divisi in:

• Autotrofi: utilizzano carbonio inorganico come principale fonte di

carbonio. Affinché il carbonio contenuto nella CO possa essere

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utilizzato per la sintesi di molecole organiche è necessario che

venga ridotto a livelli di ossidazione del carbonio organico. Tale

processo è definito come organicazione del carbonio.

• Eterotrofi: utilizzano come fonte di carbonio compisti organici.

Alcune specie sono in grado di utilizzare diversi substrati organici,

altre sono specializzate nell’utilizzo di poche molecole specifiche.

MACRONUTRIENTI

Ossigeno e idrogeno

Sono molto abbondanti nella cellula, in quanto costituiscono H O e dei composti chimici sia organici che inorganici,

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mentre l’ossigeno molecolare viene anche utilizzato come acettore finale di elettroni durante durante la replicazione.

Azoto

Presente in proteine, acidi nucleici, fosfolipidi e polisaccaridi complessi (mureina). Il composto che viene acquisito

direttamente e incorporato dagli aminoacidi è l’NH . I microrganismi che usano altre fonti di N devono preventivamente

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effettuare una riduzione di ammonio (riduzione assimilativa) per poterlo incorporale in molecole organiche.

Fosforo

Si trova in nucleotidi, acidi nucleici, e fosfolipidi. In natura è sottoforma di fosfato che può essere direttamente assimilato.

Zolfo

Forma gruppi sulfidrici SH- in cisteina e metionina. In natura è sottoforma di solfuro direttamente incorporato in molecole

organiche come solfato che deve subire una riduzione a solfuro per essere assimilato.

Altri elementi

Alcuni elementi sono necessari alla cellula anche se non sono parte costituente di molecole organiche, ne sono un

esempio Na, K, Ca, Mg e Fe, il cui ruolo è quello di conferire stabilità a diverse strutture ed enzimi.

CATEGORIE NUTRIZIONALI

Gli organismi viventi riescono ad utilizzare solo due fonti di energia presenti nell’ambiente e a trasformarle in energia

utile al funzionamento delle reazioni cellulari, l’energia luminosa e l’energia derivante dall’ossidazione di compisti chimici

organici e inorganici.

In base alla fonte di energia in grado di utilizzare si dividono in:

• Fototrofi: se utilizzano energia luminosa.

• Chemiotrofi: utilizzano l’energia rilasciata da

reazioni chimiche di ossidoriduzioni.

Dividendo gli organismi per la fonte di energia e

per il tipo di carbonio utilizzato si dividono in:

• Fotoautotrofi: ricevono energia dalla luce

rilevata mediante la fotosintesi e usano come

fonte di carbonio la CO mediante il ciclo di

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calvin-benson.

• Fotoeterotrofi: ricavano la luce mediante la

fotosintesi e ricavano il carbonio da composti

organici.

• Chemioautotrofi o chemiolitrotofi: ricavano

energia tramite l’ossidazione di molecole

chimiche inorganiche. 14

• Chemioeterotrofi: utilizzano molecole chimiche organiche come fonte sia di C che di energia. Spesso la stessa

molecola organica subisce entrambe le esigenze.

• Mixotrofi: organismi che contengono processi metabolici di due classi nutrizionali diverse.

Per quanto riguarda le modalità di assunzione dell’azoto, gli organismi possono essere divisi in:

• Azoto fissatori: in grado di ridurre l’azoto molecolare N ad ammonio.

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• Non azoto fissatori: necessitano di fonti di azoto combinato come nitrato, ammonio o azoto organico.

Protrotofi

Sono capaci di sintetizzare tutte le molecole organiche di cui hanno bisogno a partire da un’unica fonte di C e da soli

minerali, pertanto non necessitano di fattori di crescita.

Auxotrofi

Sono incapaci di sintetizzare alcune molecole organiche essenziali e richiedono una o più di queste sostanze come

fattori di crescita

ASSIMILAZIONE DEI NUTRIENTI

I nutrienti esterni alla cellula, per poter essere utilizzati nel citoplasma, devono superare le varie strutture che presentano

i batteri. Il peptidoglicano non rappresenta un grande ostacolo grazie alla sua struttura reticolare idrofila e con maglie

piuttosto larghe. Il passaggio è limitato dal doppio strato lipidico che rappresenta un barriera selettivamente permeabile

in modo da consentire il passaggio di specifiche molecole.

Due sono gli aspetti da considerare per il trasporto di molecole attraverso una membrana biologica:

• Velocità di diffusione della molecola attraverso il foglietto lipidico, la bassa o nulla permeabilità di molecole polari o

cariche non sarebbe sufficiente a consentire un flusso di sostanze sufficientemente elevato per consentire i repidi

processi metabolici di una cellula.

• Direzione del trasporto, si parla di trasporto attivo o diffusione quando il passaggio attraverso la membrana avviene

secondo un gradiente di concentrazione e quindi senza l’impiego di energia. Poche molecole piccole e apolari come

l’H O e alcuni gas riescono a diffondere liberamente attraverso il doppio strato lipidico e si parla di diffusione

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semplice. Alcuni soluti invece, per attraversare il foglietto, richiedono l’intervento di particolari proteine definite

proteine integrali e si parla quindi di diffusione facilitata. Tali proteine a volte formano un canale idrofilico che facilita

il passaggio di ioni o piccole molecole. La diffusione facilitata

può avvenire anche per mezzo di proteine dette permeasi che

legano la molecola da trasportare, trasportandola dall’altro lato

della membrana. È un tipo di trasporto che può essere

classificato come uniporto, perchè determina l’ingresso del solo

substrato senza il contemporaneo passaggio di altre molecole.

Trasporto attivo

Permette l’accumulo di nutrienti nel citoplasma e viene sfruttata

l’energia metabolica, consentendo il trasporto di molecole contro il

gradiente di concentrazione. Tra i sistemi di trasporto attivo

troviamo:

• Trasporto primario: il passaggio del soluto è direttamente

accoppiato al consumo di energia metabolica primaria, come

idrolisi ATP.

• Trasporto secondario: la cellula utilizza l’energia potenziale di

un gradiente elettrochimico, agevolato dai sistemi di trasporto